1.1 工程概况
前进路淠河总干渠桥位于安徽省六安市东部新城，为城市主干道前进路跨越淠河总干渠的节点性工程，是东部片区进出核心区的重要门户。跨河主桥布置为90+120m独塔双索面斜拉桥，引桥采用30m先简后联装配式预应力砼小箱梁，桥梁全长457.88m，桥宽35.5m；主桥主梁采用双实肋断面结构，标准段实肋宽2.0m，肋高2.6m，每6.0m设一道横梁，顶板厚度0.3m；桥塔采用“剑梭形”空箱结构，截面为圆端型，根部外轮廓尺寸为6.0m×3.5m，中部最大截面处尺寸为8.0m×3.5m，顺桥向实体壁厚1.5m，横桥向壁厚为0.85m；主桥共布置18对拉索，扇形布置，塔上索间距2.0m，主梁标准索间距6.0m，如图1～图3所示：
图1 桥梁立面图
图2 桥塔截面图
1.2 技术标准
桥梁位于道路直线段，桥面竖曲线半径为2000m。桥梁设计基准期为100年，设计安全等级为一级，重要性系数1.1；设计荷载标准为城-A级汽车荷载，城市主干道50km/h，人群荷载为3.0kN/㎡。机动车道与非机动车道双向坡2.0%；人行道单坡1.5%坡向道路设计中心线；桥梁纵坡为主墩处2.45%，采用双向对称人字坡，变坡点对应于桥塔中心线。主梁横断面布置：4.25m（人非混行，含栏杆）+2.5m（分隔带）+22.0m（行车道，双向6车道）+2.5m（分隔带）+4.25m（人非混行，含栏杆）=35.5m。
2 有限元计算模型
根据本斜拉桥的特点，按照主桥悬浇施工顺序模拟主桥结构，两次调索，阶段采用零位移控制索力，成桥后调整终索力，计算结构施工及运营阶段最不利组合下内力、应力、位移、强度和刚度等。
全桥整体静力分析计算采用有限元软件Midas/civil 2013。主梁及桥塔模拟为梁单元，拉索采用桁架单元，采用只受压弹簧模拟施工过程中的满堂支架，梁塔墩采用固结方式，边交接墩采用顺桥向可滑动的竖向支座，结构计算模型如图4所示。模型中主要计算参数取值为：主梁采用C55混凝土，容重26kN/m³，E=3.55×104MPa；桥塔采用C50混凝土，容重26kN/m³，E=3.45×104MPa；桥面铺装沥青混凝土，容重24kN/m³，斜拉索拟采用环氧涂层钢绞线，标准强度为1860MPa，弹性模量195000MPa，容重按79.5kN/m³考虑（含防护套管材料重量）预应力管道摩擦系数：采用塑料波纹管ｕ=0.16；管道偏差系数κ=0.0015。
图4 主桥结构离散图
3 结构静力分析
3.1 主梁结构分析
3.1.1 正截面抗裂验算
短期效应组合下，主梁边跨、主跨正应力最小值均不小于0，且在主跨处最大正应力为5.8MPa，主梁正截面抗裂验算满足规范要求。
3.1.2 斜截面抗裂验算
短期效应组合下，混凝土主梁最大主拉应力出现在边跨梁端、合拢段和主跨合拢段附近，最大主拉应力为0.276MPa＜0.4ftk=1.096MPa，满足斜截面抗裂要求。
3.1.3 持久状况正应力验算
持久状况组合下，主梁最大压应力为16.55MPa，小于0.5fck=17.75MPa，满足规范要求。
3.1.4 主梁位移验算
主梁在活载作用（不计冲击力）下最大向下竖向位移为（6.16+1.82）=80mm＜120000/500=240mm，满足规范要求。
3.1.5 主梁施工阶段验算
主梁各施工阶段上下缘均未出现拉应力，施工阶段最大压应力为18.35MPa＜0.7f’ck=24.85MPa，满足规范要求。
3.2 斜拉索分析
拉索初张力的确定采用零位移法，即通过调整索力使拉索与主梁的连接点竖向位移为零。成桥索力合理，能够保证全桥线形和应力均满足设计和使用要求。
通过计算可知，运营状态下，拉索最大破断应力比为0.39＜0.4，即斜拉索的安全系数大于2.5，满足规范要求。边跨、主跨拉索最大应力变化幅度为101.4MPa，符合规范的要求，如图5所示：
a）边跨拉索应力
b）主跨拉索应力
3.3 主塔分析
在承载能力极限状态下，主塔最大弯矩为53429kN/m，对应的轴力为163221kN；最小轴力126823.94kN，对应弯矩35174.56kN/m，满足规范要求。承载能力极限状态下，塔柱截面上下缘均处于受压情况，未出现裂缝情况，满足规范要求。正常使用极限状态长、短期效应组合下，桥塔顺桥向最大位移为13.3mm，处于合理的范围。
4 结构动力分析
基于Midas/Civil静力计算的空间模型，将恒载转换为质量，对结构的自振特性进行计算，结果见表1。篇幅所限，本文仅绘出前两阶阵型，如图6、图7所示。
表1 结构阵型参数表
1 0.501048 1.995818 一阶竖弯
2 0.564507 1.771459 一阶横弯
3 0.668517 1.495849 一阶反对称竖弯
4 0.957862 1.043992 二阶反对称竖弯
5 1.083825 0.922658 主跨一阶竖弯
6 1.190055 0.840297 二阶横弯
图6 一阶模态阵型图
图7 二阶模态阵型图
采用场地50年不同超越概率（10%、2%），地表水平向地震动峰值加速度及反应谱值（5%阻尼比）相关参数，如表2所示。对E1、E2地震作用下结构响应进行计算，E1荷载进行正常使用极限状态验算，E2荷载进行承载能力极限状态验算。根据计算模型分析，塔柱底截面横桥向受力较顺桥向更为不利，计算结果拟提取横桥向计算结果。
表2 水平向地震动峰值加速度及反应谱（5%阻尼比）参数值
5 塔梁结合段局部分析
塔梁结合段受力复杂，容易发生受力破坏，以上建立的整体模型不能很好地模拟局部受力情况；为了掌握该桥塔梁结合段的应力分布规律，选取塔梁结合段，采用ABAQUS软件建立实体单元（C3D8R）有限元模型计算分析（如图8所示）。实体单元模型中模拟了18.9m主梁、5.5m上塔柱、8m下塔柱。为减小计算规模，建立1/2对称模型，模型下塔柱底端施加固结约束，模型对称面施加对称约束。从Midas Civil整体模型中提组合力施加在与实体模型耦合的参考点上。
图8 塔梁结合段实体单元有限元模型图
分别计算塔梁结合段的纵、横桥向应力和主拉压应力，结果如图9～图12所示。
图9 塔梁结合段纵桥向应力图（单位：Pa）
图10 塔梁结合段横桥向应力图（单位：Pa）
由图９、图10可以看出，塔梁结合段纵桥向最大拉应力0.88MPa，最大压应力16.7MPa；横桥向最大拉应力4MPa，发生在标准横梁的底缘，由于本模型没有模拟横梁预应力，考虑横梁预应力后可以改善此应力状况。最大压应力7.6MPa。从有限元模型中提取一根横梁横桥向拉应力的合力为1722000N，按照预应力钢筋有效预存应力为1000MPa，每根横梁所需配置横向预应力钢筋1722㎜²，根据实际配束，横梁配束为4根22Φs15.2，其中底缘为两根通长束，对应两根面积为6116㎜²，能满足截面下缘受力配束需要。
图11 塔梁结合段主拉应力图（单位：Pa）
图12 塔梁结合段主压应力图（单位：Pa）
由图11、图12可以看出，塔梁结合段最大主拉应力4.98MPa，发生在标准横梁下缘，由于本模型没有模拟横梁预应力，考虑主拉应力值较小，计入横梁预应力后能满足截面应力要求。桥塔下部底缘角隅处最大主压应力19.4MPa，满足规范中不大于0.6fck的要求。
6 结语
通过有限元分析软件Midas/civil和ABAQUS对斜拉桥主梁、斜拉索、主塔、塔梁结合段的受力进行计算分析，可得出结论：（1）不同荷载组合下，桥梁结构的主梁、斜拉索、主塔的受力均满足强度要求，线形合理，满足规范要求，上、下塔柱的抗震性能满足规范要求；（2）塔梁结合段纵横向应力和主拉压应力均能满足规范要求，结合段的受力复杂，施工中应引起足够的重视；（3）桥梁外形美观，受力合理，前支点挂篮，悬浇施工，结构上可作为同类桥梁的设计参考。
参考文献
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